DE102014221806A1

DE102014221806A1 - Apparatus for laser welding with an additional material

Info

Publication number: DE102014221806A1
Application number: DE102014221806.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Meyer
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen umfassend eine Laserlichtquelle, die Mittel zur Erzeugung eines auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteten Laserstrahls aufweist sowie Mittel zur Positionierung und zum kontinuierlichen Verfahren des Laserstrahls in zumindest einer Raumebene, weiterhin umfassend eine Zuführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter und einer Fördereinheit für einen Schweißdraht als Zusatzwerkstoff, wobei sich der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit in Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Laserstrahl befindet. Die Zuführeinrichtung ist um die Laserstrahlachse drehbar angeordnet und mit einem steuerbaren Antrieb versehen, wobei die Steuerung des Antriebs derart eingerichtet ist, dass bei einer Winkeländerung der Bahn der Laserlichtquelle in der Raumebene die Zuführeinrichtung um einen entsprechenden Winkel um die Laserstrahlachse verdreht wird, um die Zuführung des Schweißdrahtes schleppend im Vorlauf des Laserstrahls zu gewährleisten.The invention relates to a device for laser welding comprising a laser light source having means for generating a directed onto a workpiece to be machined laser beam and means for positioning and for the continuous movement of the laser beam in at least one spatial level, further comprising a feeder with a reservoir and a conveyor unit for a welding wire as an additional material, wherein the outlet of the filler material from the conveyor unit is in the direction of the weld in front of the laser beam. The feed device is rotatably arranged around the laser beam axis and provided with a controllable drive, wherein the control of the drive is set up such that, when the angle of the path of the laser light source in the spatial plane, the feed device is rotated by a corresponding angle about the laser beam axis to the feed of the welding wire sluggish to ensure in the flow of the laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen umfassend eine Laserlichtquelle, die Mittel zur Erzeugung eines auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteten Laserstrahls aufweist sowie Mittel zur Positionierung und zum kontinuierlichen Verfahren des Laserstrahls in zumindest einer Raumebene, weiterhin umfassend eine Zuführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter und einer Fördereinheit für einen Schweißdraht als Zusatzwerkstoff, wobei sich der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit in Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Laserstrahl befindet. The invention relates to a device for laser welding comprising a laser light source having means for generating a directed onto a workpiece to be machined laser beam and means for positioning and for the continuous movement of the laser beam in at least one spatial level, further comprising a feeder with a reservoir and a conveyor unit for a welding wire as an additional material, wherein the outlet of the filler material from the conveyor unit is in the direction of the weld in front of the laser beam.

Gattungsgemäße Vorrichtungen zum Laserschweißen werden in diversen Industriezweigen eingesetzt. Insbesondere bei den in der chemischen Industrie verwendeten Werkstoffen ist oftmals die Verwendung eines Schweißdrahtes als Zusatzwerkstoff erforderlich. Üblicherweise wird der Zusatzwerkstoff vorlaufend in Richtung der Schweißnaht zugeführt, um eine gleichmäßige Naht zu erzielen und ein Kreuzen von Draht und Laserstrahl zu vermeiden. Generic devices for laser welding are used in various industries. In particular, in the materials used in the chemical industry, the use of a welding wire is often required as an additional material. Usually, the filler material is fed in advance in the direction of the weld in order to achieve a uniform seam and to avoid crossing of wire and laser beam.

In der Offenlegungsschrift DE 100 47 056 A1 ist eine Vorrichtung zum Laserlöten oder Laserschweißen beschrieben, die eine Laserlichtquelle, einen Nahterfassungssensor und eine Drahtzuführungsleitung aufweist und bei der die Drahtzuführungsleitung durch einen Bereich verläuft, der bezüglich der Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Sensor im Bereich über der ungeschweißten Naht liegt, und von dort unter dem Sensor hindurch zur Nahtstelle geführt ist, ohne den Sensorstrahl durchquerend zu unterbrechen. In the published patent application DE 100 47 056 A1 there is described a laser soldering or laser welding apparatus comprising a laser light source, a proximity detection sensor and a wire feed line, and wherein the wire feed line passes through an area which lies in the area above the unwelded seam with respect to the direction of advance of the weld in front of the sensor and from below passed through the sensor to the interface, without interrupting the sensor beam traversing.

Das Dokument DE 10 2008 048 059 A1 offenbart eine Einrichtung zur Zuführung von Schweißdraht an die Bearbeitungsstelle beim Laserschweißen mit einer Transportvorrichtung und einem nachgeordneten Führungsrohr für den Schweißdraht. Das Führungsrohr besitzt eine Bogenform, wobei ein erster Teil des Führungsrohres überwiegend parallel zum Laserstrahl und ein zweiter Teil winklig zum ersten Teil angeordnet sind, sodass die Drahtaustrittsöffnung in Richtung des Laserstrahls bzw. der Bearbeitungsstelle weist. Die Position des Endes des Führungsrohres kann über einen Verstellmechanismus relativ zum Laserstrahl eingestellt werden. The document DE 10 2008 048 059 A1 discloses a device for supplying welding wire to the processing point in laser welding with a transport device and a downstream guide tube for the welding wire. The guide tube has an arcuate shape, wherein a first part of the guide tube are arranged predominantly parallel to the laser beam and a second part at an angle to the first part, so that the wire outlet opening points in the direction of the laser beam or the processing point. The position of the end of the guide tube can be adjusted via an adjusting mechanism relative to the laser beam.

Eine besondere Bedeutung kommt der Zuführung des Zusatzwerkstoffes beim Schweißen von kreisbogenförmigen Nähten zu, vor allem bei kleinen Radien der Kreisbögen. Bereits geringe Schwankungen in der Positionierung des Zusatzwerkstoffes können die Schweißnahtqualität mindern und unzulässige Fehlstellen herbeiführen. Derartige Anforderungen stellen sich beispielsweise bei der Herstellung von Rohr-Boden-Verbindungen bei Wärmetauschern oder Reaktoren, bei denen ein Bündel von Rohren in Öffnungen in einer Bodenplatte zu fügen ist. Of particular importance is the feeding of the filler material during welding of circular-arc-shaped seams, especially at small radii of the circular arcs. Even small fluctuations in the positioning of the filler material can reduce the weld quality and cause impermissible defects. Such requirements arise, for example, in the manufacture of pipe-to-floor joints in heat exchangers or reactors in which a bundle of pipes is to be fitted in openings in a floor slab.

Zur Herstellung von Rohr-Boden-Verbindungen durch Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff wird die Schweißgruppe bisher auf einem Bearbeitungstisch fixiert, welcher durch Rotation unter einer feststehenden Bearbeitungsoptik den Verlauf der Schweißbahn sowie die Schweißgeschwindigkeit definiert. Dieses Vorgehen ist jedoch durch das Gewicht bzw. die geometrischen Abmessungen der zu verschweißenden Bauteile begrenzt. To produce pipe-to-floor joints by laser beam welding with filler material, the welding group is previously fixed on a working table, which defines the course of the welding path and the welding speed by rotation under a fixed processing optics. However, this procedure is limited by the weight or the geometric dimensions of the components to be welded.

Es stellte sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen derart weiterzubilden, dass auch bei großen oder schweren Bauteilen kreisbogenförmige Schweißnähte mit geringen Radien zuverlässig realisiert werden können. It set itself the task of developing a generic device for laser welding such that even with large or heavy components arcuate welds can be reliably realized with low radii.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben. This object is achieved by a device for laser welding according to claim 1. Advantageous embodiments of the device are specified in claims 2 to 4.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen umfasst eine Laserlichtquelle, die Mittel zur Erzeugung eines auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteten Laserstrahls aufweist sowie Mittel zur Positionierung und zum kontinuierlichen Verfahren des Laserstrahls in zumindest einer Raumebene. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter und einer Fördereinheit für einen Schweißdraht als Zusatzwerkstoff, wobei sich der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit in Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Laserstrahl befindet. Die Zuführeinrichtung ist um die Laserstrahlachse drehbar angeordnet und mit einem steuerbaren Antrieb versehen, wobei die Steuerung des Antriebs derart eingerichtet ist, dass bei einer Winkeländerung der Bahn der Laserlichtquelle in der Raumebene die Zuführeinrichtung um einen entsprechenden Winkel um die Laserstrahlachse verdreht wird, um die Zuführung des Schweißdrahtes schleppend im Vorlauf des Laserstrahls zu gewährleisten. The laser welding apparatus according to the invention comprises a laser light source which has means for producing a laser beam directed onto a workpiece to be machined and means for positioning and for continuously moving the laser beam in at least one spatial plane. Furthermore, the device comprises a feed device with a reservoir and a conveyor unit for a welding wire as a filler material, wherein the outlet of the filler material from the conveyor unit is in the direction of the weld in front of the laser beam. The feed device is rotatably arranged around the laser beam axis and provided with a controllable drive, wherein the control of the drive is set up such that, when the angle of the path of the laser light source in the spatial plane, the feed device is rotated by a corresponding angle about the laser beam axis to the feed of the welding wire sluggish to ensure in the flow of the laser beam.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuerung des Antriebs derart eingerichtet, dass die Winkelgeschwindigkeiten der Bahn der Laserlichtquelle in der Raumebene und der Zuführeinrichtung um die Laserstrahlachse nicht mehr als 10° voneinander abweichen. Besonders bevorzugt sind die beiden Winkelgeschwindigkeiten gleich. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the control of the drive is set up such that the angular velocities of the path of the laser light source in the spatial plane and the feed device around the laser beam axis do not deviate from each other by more than 10 °. Particularly preferably, the two angular velocities are the same.

Bevorzugt ist der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit als Drahtdüse gestaltet, die aus hitzebeständigem Glas gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Drahtdüse nah an das heiße Schmelzbad heranzuführen und somit die freie Drahtlänge auf ein Minimum zu reduzieren. Neben geringen Reib- und Verschleißwerten weist die Glasdüse als weiteren Vorteil auf, dass die glatte Oberfläche des Glases ein Anhaften des glühenden Schweißdrahtes beim Herausziehen aus dem Schmelzbad am Nahtende verhindert. Dadurch wird eine präzisere und sauberere Schweißnaht ermöglicht. Preferably, the outlet of the filler material from the delivery unit is designed as a wire nozzle, which is made of heat-resistant glass. This makes it possible to bring the wire nozzle close to the hot melt pool and thus the free wire length to reduce a minimum. In addition to low friction and wear values, the glass nozzle has the further advantage that the smooth surface of the glass prevents sticking of the glowing welding wire when it is pulled out of the molten bath at the seam end. This allows a more precise and cleaner weld.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zuführung eines Schutzgases vorgesehen, um den heißen Draht vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in radialer Richtung um die Drahtdüse herum eine Schutzgasdüse aus einem keramischen Werkstoff angeordnet. Preferably, in the device according to the invention, the supply of a protective gas is provided to protect the hot wire from atmospheric influences. In a preferred embodiment, a protective gas nozzle made of a ceramic material is arranged in the radial direction around the wire nozzle.

Gegenüber bekannten Vorrichtungen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass ein Schweißdraht als Zusatzwerkstoff immer schleppend im Vorlauf und nahe an das Schmelzbad geführt werden kann. Dadurch können nicht nur große oder schwere Bauteile bearbeitet werden, die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch die Fertigung von neuartigen Milli-Rohrbündelwärmetauschern durch Laserstrahlschweißen mit Schutzgas und Zusatzwerkstoff. Compared to known devices, the device according to the invention has the advantage that a welding wire can be performed as a filler always sluggish in the flow and close to the molten bath. As a result, not only large or heavy components can be processed, the device of the invention also allows the production of novel Milli tube bundle heat exchangers by laser beam welding with inert gas and filler material.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen 1 und 2 sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. The drawings 1 and 2 are to be understood as schematic representations. They do not represent a limitation of the invention, for example with regard to specific dimensions or design variants. Show it:

1: Rohrboden in der Draufsicht 1 : Tubesheet in top view

2: Draufsicht auf eine einzelne Rohr-Boden-Verbindung 2 : Top View on a Single Pipe Floor Joint

3: Längsschnitt durch eine Rohr-Boden-Verbindung 3 : Longitudinal section through a pipe-to-ground connection

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rohrboden tube sheet
33: Bohrung im Rohrboden Bore in the tube sheet
55: Rohrende pipe end
77: Rohr-Boden-Verbindung Pipe-to-ground connection
99: Brennfleck des Laserstrahls Focal spot of the laser beam
1111: Zuführeinrichtung feeding

1 zeigt schematisch einen Rohrboden 1 in der Draufsicht mit mehreren Reihen von Bohrungen 3 im Rohrboden. In die Bohrungen 3 sind zu verschweißende Rohre mit ihren Rohrenden 5 eingesetzt. In den obersten beiden Reihen sind die Rohr-Boden-Verbindungen 7 durch Verschweißen bereits ausgeführt, was durch die schwarzen Füllungen symbolisiert ist. Bei den restlichen sieben Reihen wurde die Verbindung noch nicht vorgenommen. 1 schematically shows a tube sheet 1 in plan view with multiple rows of holes 3 in the tubesheet. In the holes 3 are pipes to be welded with their pipe ends 5 used. In the top two rows are the pipe-floor connections 7 already performed by welding, which is symbolized by the black fillings. For the remaining seven rows, the connection has not yet been made.

In 2 ist eine einzelne Rohr-Boden-Verbindung schematisch in der Draufsicht dargestellt. Die linke Abbildung stellt den Beginn des Schweißprozesses dar, bei dem der Brennfleck 9 des Laserstrahls auf den äußersten linken Punkt der zu fügenden Schweißnaht gesetzt ist. Die Zuführeinrichtung 11 befindet sich in tangentialer Richtung im Vorlauf der Schweißnaht. In 2 a single pipe-floor connection is shown schematically in plan view. The left figure represents the beginning of the welding process, where the focal spot 9 of the laser beam is set to the extreme left point of the weld to be joined. The feeder 11 is located in the tangential direction in the flow of the weld.

In der rechten Abbildung ist der Schweißprozess zu einem Zeitpunkt dargestellt, zu dem die Rohr-Boden-Verbindung 7 zu etwa zwei Fünftel fertiggestellt ist. Der Brennfleck des Laserstrahls befindet sich um den Winkel α gegenüber der Startposition verdreht. Erfindungsgemäß wurde auch die Zuführeinrichtung 11 gegenüber ihrer ursprünglichen Ausrichtung um den Winkel β verdreht, sodass sie sich wieder in tangentialer Richtung im Vorlauf der Schweißnaht befindet. Die Drehachse der Zuführeinrichtung 11 entspricht der Achse des Laserstrahls. Vorzugsweise ist die Steuerung des Antriebs der Zuführeinrichtung 11 derart ausgelegt, dass die Winkel α und β gleich groß sind. In the right figure, the welding process is shown at a time, to which the pipe-ground connection 7 to about two-fifths is completed. The focal spot of the laser beam is rotated by the angle α with respect to the starting position. According to the invention, the feeder was also 11 rotated by the angle β relative to its original orientation, so that it is again in the tangential direction in the lead of the weld. The axis of rotation of the feeder 11 corresponds to the axis of the laser beam. Preferably, the control of the drive of the feeder 11 designed such that the angles α and β are equal.

Beispiel example

Die Optikeinheit eines Alpha Laser AL 200 (Firma Alpha Laser Gmbh, 82178 Puchheim) wurde derart modifiziert, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung erhalten wurde. Am Schutzglas-Wechselsystem der Laserschweißanlage wurde ein Antrieb angebracht, der die NC-gesteuerte Rotation der Drahtzuführeinrichtung um die Laserstrahlachse erlaubt. Die Zuführeinrichtung umfasste sowohl einen Vorratsbehälter und eine Fördereinheit für einen Schweißdraht als auch Leitungen und Düsen zur Zuführung eines Schutzgases an die Bearbeitungsstelle. Das Laser-Schutzglas, die integrierte Absaugung und der Berührungsschutz waren auf einer Kunststoffscheibe an der Optikeinheit fixiert und rotierten nicht im Verhältnis zur Laserachse. The optical unit of an Alpha Laser AL 200 (Alpha Laser Gmbh, 82178 Puchheim) was modified so that a device according to the invention was obtained. On the protective glass changing system of the laser welding system, a drive was mounted, which allows the NC-controlled rotation of the wire feed device around the laser beam axis. The feeder comprised both a reservoir and a feed unit for a welding wire, as well as lines and nozzles for supplying a protective gas to the processing site. The laser protective glass, the integrated suction and the contact protection were fixed on a plastic disc on the optical unit and did not rotate in relation to the laser axis.

Die Bahnbewegung des Brennflecks des Lasers wurde durch das Verfahren der gesamten Optikeinheit mittels NC-gesteuerter Linearachsen erzeugt und Winkeländerungen α bei der Bahnbewegung erfasst. Auf Basis dieser Winkeländerungen α berechnete die Steuerung des Antriebs der Zuführeinrichtung entsprechende Winkeländerungen β der Zuführeinrichtung gegenüber ihrer Ausgangslage um die Laserstrahlachse. Dadurch wurde sichergestellt, dass die Zugabe des Schweißdrahtes als Zusatzwerkstoff immer schleppend im Vorlauf erfolgte. The trajectory of the focal spot of the laser was generated by moving the entire optical unit by means of NC-controlled linear axes and detecting angular changes α in the path movement. On the basis of these angle changes α, the control of the drive of the feed device calculated corresponding angular changes β of the feed device with respect to its initial position about the laser beam axis. This ensured that the addition of the welding wire as an additional material was always slow in the flow.

Die Drahtdüse, aus der der Schweißdraht austritt, war aus hitzebeständigem Glas gefertigt. Dadurch konnte die Drahtdüse nah an das heiße Schmelzbad herangeführt werden, was die freie Drahtlänge auf ein Minimum reduzierte. Zudem verhinderte die glatte Oberfläche der Glasdüse ein Anhaften des glühenden Schweißdrahtes beim Herausziehen aus dem Schmelzbad am Nahtende. Durch die Verwendung entsprechender Glasdüsen konnten Drahtdurchmesser ab 0,3 mm eingesetzt werden. Die Drahtdüse war von einer keramischen Schutzgasdüse ummantelt. Dadurch wurde der heiße Draht gegen atmosphärische Einflüsse geschützt. Mit dieser Anordnung konnten Störeinflüsse durch undefinierte Drahtpositionen deutlich reduziert werden. The wire nozzle from which the welding wire emerged was made of heat-resistant glass. This allowed the wire nozzle to be brought close to the hot melt pool, which reduced the free wire length to a minimum. In addition, prevented the smooth surface of the glass nozzle Adherence of the glowing welding wire when pulling out of the molten bath at the seam end. By using appropriate glass nozzles, wire diameters starting at 0.3 mm could be used. The wire nozzle was covered by a ceramic protective gas nozzle. This protected the hot wire against atmospheric influences. With this arrangement, disturbing influences due to undefined wire positions could be significantly reduced.

3 zeigt einen geätzten Querschliff einer Rohr-Boden-Verbindung 7, die durch Laserstrahlschweißen mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt wurde. Die Schweißverbindung 7 ist ca. 0,7 mm tief und wurde mehrlagig mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff unter Schutzgas ausgeführt. Die Verbindung fügt das links dargestellte feinkörnige Rohr 5 mit dem rechts dargestellten grobkörnigen Rohrboden 1. 3 shows an etched cross section of a pipe-ground connection 7 manufactured by laser beam welding with the device according to the invention described above. The welded joint 7 is about 0.7 mm deep and was executed in multiple layers with a wire-shaped filler material under protective gas. The compound adds the fine-grained tube shown on the left 5 with the coarse-grained tube plate shown on the right 1 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10047056 A1 [0003]
DE 102008048059 A1 [0004]

Claims

Apparatus for laser welding comprising a laser light source having means for generating a directed onto a workpiece to be machined laser beam and means for positioning and for continuous movement of the laser beam in at least one spatial level, further comprising a feed device with a reservoir and a conveyor unit for a welding wire as a filler material , wherein the outlet of the filler material from the conveyor unit is located in the direction of the weld in front of the laser beam, characterized in that the feed device is arranged rotatably about the laser beam axis and provided with a controllable drive, wherein the control of the drive is arranged such that at a Angle change of the path of the laser light source in the spatial plane, the feeder is rotated by a corresponding angle about the laser beam axis to the supply of the welding wire dragging in the lead of the laser to ensure trahls.

Apparatus according to claim 1, wherein the control of the drive is arranged such that the angular velocities of the path of the laser light source in the spatial plane and the feeding device about the laser beam axis are equal.

Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the outlet of the filler material from the conveyor unit is designed as a wire nozzle, which is made of heat-resistant glass.

Apparatus according to claim 3, wherein a protective gas nozzle made of a ceramic material is arranged in the radial direction around the wire nozzle.